功率器件热设计基础(五)——功率半导体热容

/ 前言 /

功率半导体热设计是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础,只有掌握功率半导体的热设计基础知识,才能完成精确热设计,提高功率器件的利用率,降低系统成本,并保证系统的可靠性。

功率器件热设计基础系列文章会比较系统地讲解热设计基础知识,相关标准和工程测量方法。

热容

热容Cth像热阻Rth一样是一个重要的物理量,它们具有相似的量纲结构。热容和电容,都是描述储存能力物理量,平板电容器电容和热容的对照关系如图所示。

平板电容器电容和热容的对应关系

平板的热容

电容Cel(单位为A·s/V)表示电荷Q和电压U之间的关系。

热容Cth(单位为J/K)是表示热量Qth与温度差ΔT之间的关系,如式1所示。换句话说,热容可以被描述为热量变化与温差的比值,即:

热量Qth可以由比热容cth、质量m和温差ΔT得到,即:

某一确定材料的比热容cth是常数,单位为J/(kg·K)(见下表)。如果用式(2)代替式(1)中的ΔQth,则热容的关系变成:

材料的比热容cth

由于质量m=ρ·d·A(d是厚度,A是面积,ρ是密度),因此,可以利用材料的比热容cth、相对密度ρ和体积来计算电力电子器件的热容。

热阻抗

利用热阻Rth和热容Cth,可以构建一个类似RC低通电路的热模型,可以用瞬态热阻或热阻抗Zth表示这种模型,且每一个实际对象都具有热阻和热容。

瞬态热阻抗Zth,包括平板的热阻Rth和热容Cth

上图给出了瞬态热阻抗Zth,包括平板的热阻Rth和热容Cth。可以在时域中描述热阻抗Zth,即由于热容,温差ΔT随时间而变化,有:

与电气工程中的时间常数的定义方式类似,热容充满的时间常数τ为:

过渡过程的时间在0~5τ,分别代表了达到终值0~99.3%的时间。超过5τ或者99.3%以后的时间被视作稳态(即热平衡)。这时假设ΔTmax不再改变,热容不再对热阻抗有任何的影响,这样就可以把热阻抗Zth与热阻Rth看成相同的。

下图给出了热阻抗Zth随时间的变化过程,可以通过ΔT(t)和Pth,C计算热阻抗,即:

热阻抗Zth与时间的关系

在实际器件数据手册中热阻抗Zth图X轴是时间。

实际器件的热阻抗

功率半导体结对壳的瞬态热阻抗Zthjc会在数据手册中给出,功率半导体常见的封装为带铜基板功率模块、不带铜基板的DCB模块和基于铜框架结构的单管,由于传热通路的材料不同,材料重量体积不同,所以瞬态热阻抗Zthjc不同。

铜基板模块

DCB模块

单管

铜基板模块

铜基板模块很重,主要是有铜基板,EconoDUAL™ 3的铜基板厚度3毫米,这对瞬态热阻抗Zthjc起着重要作用,热量会在DCB两面的铜层和铜基板的纵向和横向扩散,5τ值大于2秒(图表摘自FF900R12ME7_B11 900A 1200V半桥模块)。

DCB模块:

没有铜基板的DCB模块轻很多,DCB的覆铜厚度0.25-0.30mm,热容就比带铜基板的模块小很多,热量只会在DCB两面的铜层的纵向和横向扩散,5τ值大约为0.4秒(图表摘自FS200R12W3T7_B11 200A 1200V三相桥模块)。

单管:

单管没有DCB板,芯片直接焊在了铜框架上,芯片热量直接加在铜框架上,热可以在铜框架上很好的扩散,5τ值大约为0.02秒(图表摘自IKY140N120CH7 140A 1200V IGBT单管)。

小结

本文介绍了热容的概念,提出了瞬态的热特性,并对比了不同封装的瞬态热阻,下一篇将详细介绍瞬态热测量

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